你需要认识的桥梁

桥梁，为跨越而生，力与形的完美结合。随着材料、施工技术、认知水平不断革新，桥梁的形式有多种可能。

从受力角度上说，桥梁的承重形式可以分为三类：受弯（梁式桥），受压（拱桥）和受拉（悬索桥），受弯材料利用率最低，受压存在相关的稳定问题，受拉相对来说效率最高，所以适用的跨度也依序逐渐加大。由以上三种又可以组合衍生出各种类型的桥梁。

桥梁主要类型

公元19世纪之前，石头和木材一直是最主要的桥梁建材。东方的木桥，欧洲的石拱，美洲的藤桥都凝聚着工匠的巧思。

 早期桥梁

下面小i就尝试依时间线和大家聊聊几个有趣的桥梁。

过去

混沌的受力体—虹桥

随着跨度的增加，对简支梁而言，弯矩随着跨度的二次方增加，最有效的办法就是加大截面高度者增加支座形成连续梁，但是早年没那么大木头和水中施工技术咋办？让我们打开清明上河图，虹桥就体现着老祖宗的智慧。

清明上河图

虹桥有两级承重系统（图中红线和黑线），单看这两个系统都是不稳定的机构，但是在木梁拐点处插入横木，交错的木梁相互承重，形成静定结构。

结构图解

由于桥体上拱，所以斜率较大的部分简支木梁段还是以受轴力为主，可以说虹桥的受力模式不同于典型的梁，拱以及桁架，有学者研究过虹桥的具体内力分布，详见文末参考文献。

结构简图（搭建时榫卯连接）

将这种互承重的受力策略应用到家具和装置设计中，会有别样的体验。

廊桥桌

表参道星巴克-隈研吾

不是拱桥的拱桥—锦带桥Kintaikyo

锦带桥位于日本山口县，建于1673年（2004年再建），每段约35m跨度。

断面图解

虽然桥体是拱形，但是从横断面可以看出，成桥的策略是通过逐层悬挑的松木（长约6m，截面约180mm）来承重，所以构件中还是有着相当大的弯矩。

重建施工

这种逐层累积的木材通过榫卯连接，有点类似斗拱，对竖向起到一定的减振作用。

隐现的弯矩图—福斯铁路桥（Forth Bridge）

福斯桥为一座悬臂桥，1890年建造，坐落于爱丁堡附近的福斯湾，总长约2.5公里，用钢量约5.8w吨（其实是比较浪费的），是桥梁史上一个里程碑。

正视图及俯视图

福斯桥通过桥墩处伸出悬臂桁架，中部架设简支桁架，整体桥形态类似于连续梁在均布荷载下的弯矩图。悬臂上弦杆及外斜的腹杆受拉，布置为纤细的桁架；悬臂下弦杆及内倾的腹杆受压，采用的是较粗的圆钢管。

杆件构成

桥体自支座处往跨中逐渐收进，在支座处采用内倾的交叉斜柱，有效的提高了桥体在风荷载下的稳定性。

内倾的斜柱

桥梁的抗风研究也在同时期展开，风荷载在山谷中尤其需要重视，埃菲尔设计的Rouzat高架桥及Garabit高架桥的桥柱也体现着风荷载下的弯矩图，宛如一个个小型的埃菲尔铁塔。

Garabit高架桥

Rouzat高架桥

现在

19世纪后，随着钢铁制造工艺的突飞猛进以及对梁受力机理的深入研究，各种钢桁架梁，钢桁架拱开始走上历史的舞台。

漂浮的U—Jarrold Bridge

Jarrold Bridge位于英国最东部的诺维奇市，毗邻风景优美的海滨地区，并且周边有英国最大的湿地保护区。其连接旧城区和附近重建的河滨区。

俯瞰视图

总长约80m，由于周围都是较矮的楼房，所以没有采用大桁架，桅杆，吊索等极具表现的结构，十分简洁平缓的桥面弧线很好地融入了环境，而不喧宾夺主。由于空气湿度较大，主体结构采用耐锈免涂装的耐候钢，工厂预制好三段桥体，现场安装工期仅2天。

分层图解

桥体仅由河岸两侧的两根细柱及端部的桥墩支撑，柱顶铰接。桥梁通过内侧的箱型梁兼做扶手出挑，箱型梁出挑短梁支撑桥面板。

工厂预制箱梁

短梁与箱梁之间加撑提高面内刚度，在箱梁的跨中放置TMD以协调竖向振动，最外侧的空腹桁架栏杆对整体的抗弯刚度也有一定的加强。

施工过程

Glacier Skywalk也是一个令人心动的单边悬挑景观桥，位于加拿大阿尔伯塔省，像是一个平置的双层拱，上拱受拉，下拱受压，再通过斜向的拉索保持结构的竖向稳定。

Glacier Skywalk

自然的形态—索伦森斯步行桥（Suransuns Footbridge）

之前的推文有介绍过形似简支梁弯矩图的Traversina Bridge One，可惜被山上的落石摧毁，后来在附近重新修建了一座桥，即Traversina Bridge Two。

Traversina Bridge Two

采用交叉斜向吊索。

在同一个山区，建筑兼结构师康策特设计了一个小i认为更加惊艳的步行桥，跨度40m，两岸高差4m，视觉上看就是一块块石板加上纤细的栏杆，简洁的有些不可思议。

Suransuns Footbridge

Suransuns Footbridge

索伦森斯步行桥受力上属于悬带桥，常规的悬带桥是通过在张拉的索上浇筑混凝土提供预压力以抵抗竖向荷载。但是康策特却采用了一个回归本源且精致的方案。

“The medieval idea that hidden reality of natural forms has a transcendental simplicity. Reaching the truth, or doing something appropriately, involves paring away until only the essential remains”

Suransuns Footbridge 结构概念图解

承重结构为两条15mm的扁钢，其上铺设250mm宽，60厚的花岗岩板，花岗岩板通过缝隙之间3mm厚的铝带与扁钢连接，对扁钢施加预应力，端部用楔形条锚固。

桥底视图

支座处钢条垫层有效的缓解应力集中及振动

扁钢及桥头对花岗岩施加预压力，就好比一个倒置的拱桥，花岗岩即是桥面板也是结构构件，完美而纯粹的拉压结合有效的保证了人行及风荷载下的振动，整个结构没有多余的部分，十分经典。

未来？

荷兰的MX3D是荷兰的一家致力于突破性的机器人建造技术公司。 通过不断创造新的策略和软件解决方案进行创新，以打印几乎任何尺寸和形状的各种金属合金。

MX3D

3D打印桥梁

他们有个项目叫“MX3D BRIDGE”，通过结构拓扑优化打印各种科技感十足的桥梁。

3D打印钢筋桁架

MX3D BRIDGE

值得一提的是，MX3D在桥梁上预埋了传感器，可以有效的进行结构健康监测，并可以统计人流、温度等各种数据。我们不妨开个脑洞，在不久的将来，结构将不再是冰冷的钢筋混凝土，随着传来的各种数据，加热让材料发生流动，从而调整局部布置以达到力的合理分配。